KR100614536B1

KR100614536B1 - 고강도 소결체

Info

Publication number: KR100614536B1
Application number: KR1019990054972A
Authority: KR
Inventors: 사또루 구끼노; 도모히로 후까야; 준이찌 시라이시; 데쯔오 나까이
Original assignee: 스미토모덴키고교가부시키가이샤
Priority date: 1998-12-04
Filing date: 1999-12-04
Publication date: 2006-08-22
Also published as: KR20000047919A; DE69903242D1; CA2291528A1; EP1006092A1; US6265337B1; EP1006092B1; ZA997492B; DE69903242T2; CA2291528C

Abstract

본 발명은 경도와 인성을 모두 갖는 고압상형 질화 붕소 기재 소결체를 제공한다.

본 발명의 소결체는 20 내지 70 체적%의 고압상형 질화 붕소, 고압상형 질화 붕소를 5 nm 내지 300 nm의 두께로 포위하는 제1 결합상 및 잔부인 제2 결합상을 포함한다. 제1 결합상은 Ti와 Al의 질화물, 붕화물 중 적어도 어느 하나로 이루어진다. 제2 결합상은 주기율표 제4a, 5a, 6a족 전이 금속과 Al의 질화물, 탄화물, 탄질화물, 붕화물, 산화물 및 이들의 상호 고용체로부터 선택되는 적어도 1종으로 이루어진다. 그리고, 제1 결합상의 단위 체적당 포함되는 Al의 양을 X, 제2 결합상의 단위 체적당 포함되는 Al의 양을 Y라 했을 때 비율 X/Y는 1 이상이다.

경도, 인성, 고압상형, 고강도, 질화 붕소기 소결체

Description

고강도 소결체{Sintered Body Having High Strength}

본 발명은 고압상형 질화 붕소를 사용한 고강도의 소결체에 관한 것이다.

cBN은 다이아몬드에 버금가는 고경도 물질이며, cBN 기재 소결체는 각종 절삭 공구, 내마모 부품, 내충격 부품 등에 사용되고 있다.

이러한 종류의 소결체는 경도와 강도의 양립이 어렵고, 이의 양립을 목적으로 한 기술로서, 예를 들면 일본 특공소 62-25630호 공보, 특공소 62-25631호 공보, 특개평 5-l86272호 공보에 기재된 것을 들 수 있다.

그러나, 상기한 기술에서도, 경도와 강도의 양립이라는 점에서 반드시 충분하지는 않다. 특히 난삭재의 단속 절삭 등의 가혹한 절삭 조건 하에서는 강도가 부족하였다. 따라서, 본 발명은 경도와 강도를 양립시켜 긴 수명을 안정적으로 얻을 수 있는 소결체를 제공하는 것이다.

본 발명 소결체는 20 내지 70 체적%의 고압상형 질화 붕소, 고압상형 질화 붕소를 5 nm 내지 300 nm의 두께로 포위하는 제1 결합상 및 잔부인 제2 결합상을 포함한다. 제1 결합상은 Ti와 Al의 질화물, 붕화물의 적어도 어느 하나로 이루어진다. 제2 결합상은 주기율표 제4a, 5a, 6a족 전이 금속과 Al의 질화물, 탄화물, 탄질화물, 붕화물, 산화물 및 이들의 상호 고용체로부터 선택되는 적어도 1종으로 이루어진다. 그리고, 제1 결합상의 단위 체적당 포함되는 Al의 양을 X, 제2 결합상의 단위 체적당 포함되는 Al의 양을 Y로 했을 때, 비율 X/Y가 1 이상이 되는 것을 특징으로 한다.

여기에서, 고압상형 질화 붕소에는 입방정 질화 붕소(cBN) 또는 울쯔광형 질화 붕소(wBN)가 포함된다.

제1 결합상에 포함되는 Ti와 Al의 질화물은 입방정의 결정 구조인 것이 바람직하다.

또한, 고압상형 질화 붕소 입자를 적어도 100개 함유하고 있는 영역에서 다른 고압상형 질화 붕소 입자와 접촉하는 입자수의 비율이 0.1 % 이상 20.0 % 미만인 것이 바람직하다.

또한, 하기의 용해 처리를 실시할 경우, 잔류 고압상형 질화 붕소 입자의 90 % 이상이 단입자로서 존재하는 것이 적합하다.

시료편: 한 변이 3 mm 이상 7 mm 이하이고, 두께가 0.3 mm 이상 0.5 mm 이하인 사각형상의 소결체,

용액: 밀폐 용기 중에서 60.0 중량% 이상 65.0 중량% 이하의 질산을 2배 희석한 것 40 ㎖과 45.0 중량% 이상 50.0 중량% 이하의 불화수소산 10 ㎖을 혼합한 불질산,

온도: 120 ℃ 이상 150 ℃ 이하,

시간: 3시간 이상 5시간 이하.

이러한 소결체는 지금까지 제조가 곤란하였다. 본 발명에서는, 고압상형 질화 붕소 입자에 Ti와 Al의 질화물 또는 붕화물을 PVD(Physical Vapor Deposition)법 등으로 피복하고 제4a, 5a, 6a족 전이 금속 또는 Al의 질화물, 탄화물, 붕화물로 이루어지는 결합재와 혼합하여 초고압·고온에서 소결함으로써 상기한 소결체를 얻는다. 소결 압력 및 온도로서는 각각 3 내지 5 Gpa, 10OO 내지 1500 ℃ 정도를 들 수 있다. 제1 결합상의 피복 수단으로서는 PVD법 외에 화학 증착법(CVD법)을 사용할 수 있다.

소결체의 강도를 증가시키기 위해서는 고압상형 질화 붕소와 결합상의 결합 강도를 증가시키는 것이 효과적이다. 고압상형 질화 붕소 입자의 주위에 제1 결합상으로서 Ti와 Al의 질화물, 붕화물이 존재하면 고압상형 질화 붕소와의 계면의 반응성이 향상되어 결합 강도가 증가하여 강도가 상승된다. 특히, Al 화합물은 반응성이 높아 제2 결합상보다도 Al의 농도가 높으면 유효한다. 제2 결합상의 Al 농도가 높아지면 내마모성이 악화된다.

또한, 제1 결합상이 입방정의 TiAlN인 경우, 육방정의 Ti, Al의 질화물보다도 경도가 높아 강도가 향상된다.

또, 주요 조건의 한정 이유는 다음과 같다.

<고압상형 질화 붕소의 함유율>

20 체적% 미만이면 고압상형 질화 붕소 소결체의 특성이 발현되지 않고, 70 체적%를 초과하면 결합상의 양이 감소하여 강도가 저하된다.

<제1 결합상의 두께>

5 nm 미만이면 효과가 발현되지 않고, 300 nm를 초과하면 소결체 내의 Al의 양이 증가하여 내마모성이 저하된다.

<고압상형 질화 붕소의 접촉율>

20 %를 초과하면 접촉점이 나빠지게 되어 강도가 저하된다.

<산처리 후의 고압상형 질화 붕소 입자의 존재 형태>

단입자의 존재율이 90 % 미만이면, 고압상형 질화 붕소 입자끼리의 접촉이 많다는 점에서 결함이 많아 강도가 저하된다.

이하, 본 발명의 실시 형태를 설명한다.

(실시예 1)

입방정 TiAlN을 피복한 cBN 입자와 표 1에 나타낸 결합상을 혼합하고, 1150 ℃, 4.5 GPa에서 소결하여 SNGN120408(IS0 규격)의 형상을 갖는 소결체 칩을 얻었다. 얻어진 칩에 대해 절삭 시험을 실시하여 소결체의 수명을 조사하였다. 또, TiN과 AlN을 cBN 입자에 피복한 것에 대해 비교예로서 동일한 시험을 행하였다. 절삭 시험 조건은 다음과 같다. 그 결과도 함께 표 1에 니타냈다.

피삭재: SKD11(HRC60), 6개의 V자형 홈이 있음

절삭 조건 : 절삭 속도: V=120 m/min, 이송: f=0.1 mm/rev, 절삭 깊이: d=0.2 ㎜, 건식

제1 결합상	제2 결합상	수명(분)
입방정 TiAlN	TiN, TiB₂, AlB₂, AlN	40
입방정 TiAlN	TiC, TiB₂, AlB₂, AlN	38
입방정 TiAlN	HfN, HfB₂, AlB₂, AlN, Al₂O₃	35
입방정 TiAlN	ZrN, ZrB₂, AlB₂	36
TiN+AlN	TiN, TiB₂, AlB₂, AlN	3

표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 제1 결합상에 입방정 TiAlN을 이용한 소결체는 그렇지 않은 소결체에 비하여 공구 수명이 훨씬 우수하다는 것을 알 수 있었다.

(실시예 2)

입방정 TiAlN을 피복한 cBN과 결합상을 초고압 소결하여 표 2에 나타낸 소결체를 얻었다. 소결체의 형상은 실시예 1과 동일하다. 이어서, 이 소결체에서의 제1 결합상과 제2 결합상의 Al 농도를 오우거 전자 분광기 (Auger Electron Spectroscopy)로 비교하여, 제1 결합상의 단위 체적당 포함되는 Al의 양을 X, 제2 결합상의 단위 체적당 포함되는 Al의 양을 Y로 했을 때의 비율 X/Y를 구하였다. 얻어진 소결체 칩에 대해 절삭 시험을 실시하여 소결체의 수명을 조사하였다. 절삭 시험 조건은 다음과 같다. 그 결과도 함께 표 2에 나타냈다.

피삭재: SKD11(경도 HRC60), 4개의 U자형 홈이 있음

농도비 X/Y	수명(분)
0.9	2
1.1	34
2.3	34
3.9	32
4.9	36

표 2에 나타낸 바와 같이, 농도비 X/Y가 1 이상인 경우에 수명이 긴 공구가 얻어진다는 것을 알 수 있었다.

(실시예 3)

입방정 TiAlN을 피복한 cBN 입자와 TiN, TiB₂, AlN, AlB₂로 이루어지는 결합상 재료를 표 3에 나타낸 cBN 함유율이 되도록 혼합하여 소결체를 제작하였다. 소결체의 형상은 실시예 1과 동일하였다. 얻어진 소결체 칩에 대해 절삭시험을 하여 소결체의 수명을 조사하였다. 절삭 시험 조건은 다음과 같다. 그 결과도 함께 표 3에 나타냈다.

피삭재: SCM415(경도 HRC60), 6개의 U자형 홈이 있음

cBN 함유율(wt%)	수명(분)
18	3
21	23
30	24
50	25
60	27
79	3
85	2

표 3에 나타낸 바와 같이, cBN 함유량이 20 내지 70 체적%일 때 수명이 긴 공구가 얻어졌다는 것을 알 수 있었다.

(실시예 4)

cBN 함유율이 60 체적%이고 표 4에 나타낸 입방정 TiAlN 또는 TiN+AlN을 피복한 cBN과 TiN, TiAl, TiAl₃, Ti₂AlN, AlN, AlB₂로 이루어지는 결합상 재료를 혼합하여 표 4에 기재된 조건으로 소결하였다. 또, 표 4 내의「피복」은 소결 전의 cBN 주위의 상을 나타내고, 「제1 결합상」은 소결 후의 cBN 주위의 상을 나타낸다. 그리고, 표 4에 기재된 제1 결합상과 TiN, TiB₂, AlN, AlB₂, Al₂0 ₃으로 구성된 제2 결합상으로 이루어지는 소결체를 얻었다. 소결체의 형상은 실시예 1과 동일하다. 비교예로서, TiN과 AlN을 피복한 cBN에서 거의 동일 조성의 소결체를 제작하였다. 얻어진 소결체 칩에 대해 절삭 시험을 실시하여, 소결체의 수명을 조사하였다. 절삭 시험 조건은 다음과 같다. 그 결과도 함께 표 4에 나타냈다.

피삭재: SKD11(경도 HRC60), 8개의 U자형 홈이 있음

피복	소결 조건 온도(℃)/압력(Gpa)	제1 결합상	수명(분)
입방정 TiAlN	1100/4.3	입방정 TiAlN	42
입방정 TiAlN	1300/5	TiN+AlN	32
TiN+AlN	1100/4.3	TiN+AlN	12
TiN+AlN	1300/5	TiN+AlN	11

그 결과, 입방정 TiAlN을 피복한 것 또는 소결 조건에서 온도, 압력이 낮은 경우에 수명이 긴 소결체가 얻어진다는 것을 알 수 있었다. 특히, 소결후에도 입방정 TiAlN을 유지한 것의 수명이 길다는 것을 알 수 있었다.

(실시예 5)

표 5에 기재된 cBN 함유량에서, 제1 결합상이 입방정 TiAlN이며, 제2 결합상이 ZrN, TiN, TiB₂, AlB₂, AlN, Al₂0₃으로 이루어지는 소결체의 cBN 입자끼리의 접촉율을 조사하였다. 이 접촉률은 소결체 단면을 현미경으로 관찰하여 cBN 입자를 적어도 1OO 개 함유하고 있는 영역에서 다른 cBN 입자와 접촉하는 입자수를 계수하여 구하였다.

또한, 하기 조건으로 산처리를 하여 잔류 고압상형 질화 붕소 입자의 단입자의 입도 분포를 조사하였다.

시료편: 한변 5 mm, 두께 0.4 mm, 사각 형상,

용액: 밀폐 용기 중에서 62.0 중량%의 질산을 2배 희석한 것 40 ㎖과 47.0 중량%의 불화수소산 1O ㎖를 혼합한 불질산,

온도: 130 ℃,

시간: 4 시간.

또한, 얻어진 소결체(형상은 실시예 1과 동일함) 칩에 대해 절삭 시험을 실시하여 소결체의 수명을 조사하였다. 절삭 시험 조건은 다음과 같다. 또, 비교예로서 종래 방법의 소결체에 대해서도 상기와 같은 시험을 실시하였다. 이러한 결 과도 함께 표 5에 나타냈다.

피삭재: SCM415(경도 HRC60), 8개의 V자형 홈이 있음

cBN 함유량(체적%)	접촉률(%)	수명(분)	산처리 후의 단입자 존재율(%)
18	0.07	3	88
25	1	34	99
45	5	25	96
50	10	34	92
60	15	29	91
69	19	28	94
85	25	4	3
60	36	3	70

표 5에 나타낸 바와 같이, 「접촉률」0.1 내지 20 %, 산 처리 후의 단입자의 존재율이 90 % 이상인 경우에 공구의 수명이 길다는 것을 알 수 있었다.

(실시예 6)

제1 결합상인 입방정 TiAlN의 막 두께가 표 6에 기재된 바와 같고, 제2 결합상이 HfC, TiN, TiB₂, AlB₂, AlN으로 이루어지는 소결체(형상은 실시예 1과 동일함)에 대해 절삭 시험을 실시하여 소결체의 수명을 조사하였다. 절삭 시험 조건은 다음과 같다. 시험 결과도 함께 표 6에 나타냈다.

피삭재: SKD (경도 HRC60), 2개의 U자형 홈이 있음

막 두께(nm)	수명(분)
4	3
6	36
50	42
100	38
200	39
290	37
350	10
400	9

표 6에 나타낸 바와 같이, 제1 결합상의 막 두께가 5 nm 내지 300 nm인 경우에 공구의 수명이 길다는 것을 알 수 있었다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 경도와 인성을 겸비한 소결체를 얻을 수가 있다. 따라서, 절삭 공구, 내마모 부품, 내충격 부품 등에 이용하면, 가혹한 사용 조건하에서도 긴 수명을 안정적으로 얻을 수 있다.

Claims

20 내지 70 체적%의 고압상형 질화 붕소, 고압상형 질화 붕소를 5 nm 내지 300 nm의 두께로 포위하는 제1 결합상 및 잔부인 제2 결합상을 포함하고, 제1 결합상이 입방정의 구조를 갖는 Ti와 Al의 질화물, 붕화물 중 적어도 어느 하나로 이루어지고, 제2 결합상이 주기율표 제4a, 5a, 6a족 전이 금속과 Al의 질화물, 탄화물, 탄질화물, 붕화물, 산화물 및 이들의 상호 고용체로부터 선택되는 1종 이상으로 이루어지며, 제1 결합상의 단위 체적당 포함되는 Al의 양을 X, 제2 결합상의 단위 체적당 포함되는 Al의 양을 Y라 했을 때에 비율 X/Y가 1 이상이 되는 것을 특징으로 하는 고강도 소결체.
삭제
제1항에 있어서, 고압상형 질화 붕소 입자를 100개 이상 함유하고 있는 영역에서 다른 고압상형 질화 붕소 입자와 접촉하는 입자수의 비율이 0.1 % 이상 20.0 % 미만인 것을 특징으로 하는 고강도 소결체.
제1항 또는 제3항에 있어서, 한 변이 3 ㎜ 내지 7 ㎜이고, 두께가 0.3 ㎜ 내지 0.5 ㎜인 사각 형상으로 만든 소결체를 밀폐 용기 중에서 60.0 중량% 내지 65.0 중량%의 질산을 2배 희석한 것 40 ㎖와 45.0 중량% 내지 50.0 중량%의 불화수소산 10 ㎖를 혼합한 불질산을 사용하여 120 ℃ 내지 150 ℃에서 3시간 내지 5시간의 용해 처리를 실시할 경우, 잔류 고압상형 질화 붕소 입자의 90 % 이상이 단입자로서 존재하는 것을 특징으로 하는 고강도 소결체.